移動式蒸汽土壤滅菌設(shè)備的研究

楊志林

（山西省農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，山西 太原 030031）

1 概述

設(shè)施園藝近年來在我國發(fā)展迅猛。因連茬種植，復(fù)種指數(shù)高，在土壤中出現(xiàn)了各類病原菌，再加上設(shè)施內(nèi)高溫高濕的有利條件，導(dǎo)致土壤病蟲害的發(fā)生，嚴(yán)重制約了設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

進(jìn)行設(shè)施土壤滅菌是防止土壤病蟲害發(fā)生的有效辦法，目前采用的滅菌方法主要有輪作、嫁接、太陽能滅菌、蒸汽滅菌、生物防治和化學(xué)藥劑防治等?；瘜W(xué)藥劑滅菌最為常用且方法簡單，但使用的多為具有高殘留的農(nóng)藥，易造成土壤和大氣的環(huán)境污染，也勢必污染蔬菜產(chǎn)品和生態(tài)環(huán)境，危害人體健康；生物滅菌是通過調(diào)控土壤微生物群落，增加有益微生物數(shù)量和品種，減少有害病原菌的數(shù)量和品種，從而抑制病害，這種方式由于活體菌受到各種因素的制約和影響，使用效果難以保證；太陽能滅菌的缺點是需要消耗一定的人力和時間，也殺死了一些有益的生物，并且具有季節(jié)性限制。

采用無殘留、無污染的物理滅菌方法是發(fā)展設(shè)施園藝生產(chǎn)的重要措施之一，蒸汽滅菌是目前世界范圍內(nèi)較為先進(jìn)、安全、環(huán)保的一種方法，也是土壤熱處理滅菌中最有效的方法，其原理是用蒸汽鍋爐加熱，通過導(dǎo)管把蒸汽熱能送到土壤中，使土壤溫度升高，殺死病原菌，以達(dá)到防治土傳病害的目的。

2 移動式蒸汽滅菌設(shè)備的設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)高效、有機農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，設(shè)計適合本地設(shè)施園藝內(nèi)的土壤滅菌設(shè)備，該設(shè)備應(yīng)具有一定的滅菌效率，保證可以殺滅土壤內(nèi)的微生物、雜草種子和大部分有害病菌，而滅菌小車和蒸汽鍋爐可以方便移動，便于用戶使用。

3 移動式蒸汽滅菌設(shè)備的組成

移動式蒸汽滅菌設(shè)備由土壤輸送提升裝置、燃?xì)庹羝仩t和移動式滅菌小車、土壤輸出裝置及控制系統(tǒng)等組成。

土壤輸送提升裝置能保證將舊土壤順利提升，運送到移動滅菌小車上，并滿足生產(chǎn)率的要求，它包括動力輸送電機、刮板、輸送帶和機架等。

根據(jù)滅菌小車的容量與滅菌溫度和壓力的要求，選用合肥金利達(dá)熱能設(shè)備有限公司燃?xì)庹羝仩t，型號為ZQY2，其尺寸為620mm×580mm×1 200mm，蒸發(fā)量為100kg／h，壓力為0.4MPa，使用燃料為液化氣，耗氣量7kg／h。

移動式滅菌小車包括基架、行走輪、滅菌箱和蒸汽管道等，基架用于安裝蒸汽鍋爐，行走輪便于移動和轉(zhuǎn)向，蒸汽管道在滅菌箱內(nèi)均勻排布，并在管道正上方和正下方均勻開有蒸汽出氣孔，保證土壤滅菌時獲得均勻穩(wěn)定的蒸汽。

土壤輸出裝置能保證當(dāng)土壤滅菌完成后，方便地將土壤輸出，采用螺旋軸輸出形式，將土壤從滅菌箱落料口輸出。

控制系統(tǒng)由ARM處理器、溫度傳感器、LED液晶顯示器及執(zhí)行元件等組成。ARM處理器是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，其顯著特點是速度快、功耗低、功能強、價格廉，其支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，支持實時仿真和跟蹤，集成有16kB靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）、128kB的Flash程序存儲器、4個通用并行I／O口、2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART串口、1個高速雙向總線（I2C）串口、2個全雙工串行接口（SPI）、2個32位定時器以及脈寬調(diào)制單元（PMW）、實時時鐘、看門狗、中斷控制器和A／D轉(zhuǎn)換器等功能部件。利用ARM處理器進(jìn)行設(shè)備的編程、程序輸入和調(diào)試，控制算法采用常用的PID算法，為了控制方便，比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)、采樣周期、溫度設(shè)定、滅菌時間設(shè)定均可通過鍵盤修改，并在LED顯示器上顯示。為了達(dá)到控制效果，設(shè)置了多點溫度傳感器，傳感器將測得的溫度電信號通過傳輸線送到控制系統(tǒng)，由ARM經(jīng)過計算，通過A／D轉(zhuǎn)換，在LED上顯示土壤溫度值，并對采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和實時控制，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時開始計時，達(dá)到設(shè)定滅菌時間時自動關(guān)閉蒸汽閥門，實現(xiàn)自動控制。移動式蒸汽滅菌設(shè)備的主要技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)如下：

4 移動式蒸汽滅菌設(shè)備的工作過程

由國外成型技術(shù)可知，大多數(shù)土壤病原菌、昆蟲和雜草在濕熱的情況下，65℃、30min內(nèi)即可殺死，但菊花矮化病毒在干旱的植物組織中可生活至少兩年，而在93℃下只能存活10min，TMV（煙草花葉病毒）等病毒，需要90℃蒸汽持續(xù)滅菌10min。通常情況下，當(dāng)溫度達(dá)到90℃時持續(xù)30min，即可殺死幾乎所有病菌、病毒和雜草種子。

移動式蒸汽滅菌設(shè)備的工作過程如下：將舊土壤倒在輸送提升裝置的入料口，開啟電源開關(guān)，通過電機帶動輸送帶和刮板，將舊土壤輸送到移動式滅菌小車的滅菌箱內(nèi)，將待處理土壤攤平，并將溫度傳感器均勻布置，然后用帆布將滅菌小車蓋好，將蒸汽鍋爐的蒸汽出口與滅菌小車的蒸汽入口連接，按啟動鍵，系統(tǒng)自動打開蒸汽開關(guān)，通入蒸汽，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時，系統(tǒng)開始計時，達(dá)到設(shè)定的滅菌時間時，系統(tǒng)自動關(guān)閉蒸汽閥門；土壤滅菌完成后開啟輸出裝置電機開關(guān)，通過電機帶動螺旋軸旋轉(zhuǎn)，將處理好的土壤從滅菌箱落料口輸出。

5 國內(nèi)外蒸汽滅菌技術(shù)現(xiàn)狀

土壤蒸汽滅菌首先由德國人Frank于1888年發(fā)現(xiàn)，1893年由美國人Rudd首次商業(yè)化使用，從此，蒸汽滅菌在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到應(yīng)用，之后日本等國也采用該法解決溫室內(nèi)土壤病蟲害的問題。國外蒸汽滅菌機按照牽引方式的不同分為自走式、車上搭載式等多種樣式，此外，按照每小時蒸汽蒸發(fā)量不同和機重大小的不同，也有各類型號土壤蒸汽滅菌裝置，如SB-300型、SB-400型和SB-700型。

日本蒸汽滅菌機大體分為兩類：一類帶蒸汽室，滅菌箱下部為蒸汽室，上部為土壤室；另一類不帶蒸汽室，直接把帶孔的管子埋在土壤中，向管道內(nèi)通入蒸汽。日本也生產(chǎn)專用的移動式全自動蒸汽滅菌機，分為C-1.2、C-1.6、C-2.4型。

國內(nèi)曾使用過蒸汽滅菌，對枯萎病、黃萎病、根腐病和根結(jié)線蟲病等都有很好的防效。但是，由于國內(nèi)對蒸汽滅菌技術(shù)掌握的較少，目前還沒有完備的蒸汽滅菌裝置。

蒸汽滅菌方式的缺點是：若長期使用還需增加昂貴的水質(zhì)軟化系統(tǒng)，且存在殺滅不均勻、蒸汽鍋爐自身過于笨重等問題。未來蒸汽滅菌土壤處理設(shè)備將向著高效率、智能化的方向發(fā)展，目前主要研究方向集中在提高蒸汽殺菌生物效應(yīng)方法的研究和選擇性殺滅有害微生物途徑的研究上。

6 結(jié)束語

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，連片溫室越來越多，使用土壤滅菌設(shè)備作業(yè)服務(wù)將成為可能。這種設(shè)備應(yīng)用在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，可提高勞動效率，減輕農(nóng)民的勞動強度；還可減少農(nóng)藥的使用，降低農(nóng)藥對蔬菜和環(huán)境的污染，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］ 曹坳程，郭美霞，王秋霞.土壤消毒技術(shù)［J］.世界農(nóng)藥，2010（32）：10-12.

［2］ 曹坳程，鄭建秋，郭美霞，等.土壤消毒技術(shù)及要點［J］.蔬菜，2010（4）：41-43.

［3］ 賀超興，徐長華，玄明輝.燃煤式溫室土壤消毒機的研制和應(yīng)用［J］.溫室園藝，2009（9）：17-18.

［4］ 黃智偉，鄧月明，王彥.ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.